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作者及机构
本研究由Konstantin Dudzik、Maximilian Kirschner、Victor Pazmino Betancourt和Jürgen Becker（通讯作者）合作完成，四位作者均来自德国卡尔斯鲁厄的FZI Research Center for Information Technology。论文发表于2024年IEEE第30届实时与嵌入式技术及应用研讨会（RTAS），会议时间为2024年4月，DOI编号为10.1109/RTAS61025.2024.00038。
学术背景
研究领域与动机
该研究属于实时系统（Real-Time Systems）与多核处理器（Multicore Processing）交叉领域，聚焦于高安全性嵌入式系统（如汽车、航空航天）中的时间可预测性（Time-Predictability）问题。随着嵌入式系统功能向高性能多核平台集中，传统分布式系统的时间隔离（Temporal Isolation）和故障隔离（Fault Isolation）边界被打破，导致共享资源（尤其是内存）争用问题突出，严重威胁实时任务的最坏执行时间（WCET, Worst-Case Execution Time）分析。
研究目标
作者提出了一种基于逻辑执行时间（LET, Logical Execution Time）范式的创新方法，结合本地暂存存储器（Scratchpad Memory）和静态全局调度（Static Global Schedule），旨在实现：
1. 时间可预测性：通过消除内存争用，确保任务执行时间的确定性。
2. 任务隔离性：限制运行时故障的影响范围，满足功能安全（Functional Safety）需求。
3. 模块化设计：支持不同来源的软件组件集成，兼容汽车软件架构标准（如AUTOSAR）。
研究流程与方法
1. 系统架构设计
- 硬件平台：基于定制化RISC-V多核架构，包含多个应用核心（
c0, c1, ..., cn-1）、一个管理核心（cm）、每核独立的本地暂存存储器（msp）和共享主存（mmain）。
- 关键硬件支持：直接内存访问引擎（DMA）、内存保护单元（MPU）、时间可预测互连总线。
2. 任务执行模型
- LET范式扩展：任务通信通过输入/输出端口（
pinput/poutput）在LET边界瞬时完成，数据流确定性由全局静态调度保证。
- 分层任务模型：
- 任务级：由多个可运行单元（Runnable）构成，每个可运行单元包含内存阶段（
pmem）和计算阶段（pcomp）。
- 调度约束：通过有向无环图（DAG）定义可运行单元的执行顺序。
3. 内存管理与调度
- 本地内存分区：每核暂存存储器划分为：
- 两个可运行单元代码区（
sinst,a, sinst,b，支持双端口重叠执行）。
- 任务级代码区（
sinst,c）、共享数据区（sdata）和受保护的内核区。
- 静态调度生成：使用SMT求解器（Z3定理证明器）计算非重叠内存传输窗口，避免争用。
4. 运行时实现
- 管理核心职责：通过DMA引擎调度数据迁移，任务核心仅访问本地内存。
- 隔离机制：基于Keystone TEE框架修改，利用MPU实现地址空间隔离。
- 任务抢占：支持状态保存/恢复，但需与内存阶段无冲突。
5. 部署流程
- 编译与链接：每个任务独立编译，可运行单元映射到指定内存段。
- 逻辑调度到硬件调度转换：通过“Elaboration”步骤生成时间触发的调度窗口。
主要结果
- 时间可预测性验证：通过静态调度完全消除内存争用，WCET分析简化为单任务级别。
- 隔离性保障：MPU限制任务仅访问本地内存，实验显示故障影响范围被严格限制在单个任务内。
- 性能优化：重叠计算与内存阶段（如图2所示），核心利用率显著提升。
- 兼容性验证：任务模型与AUTOSAR架构兼容，支持异构软件组件集成。
结论与价值
科学价值
- 提出首个结合LET范式与PREM（Predictable Execution Model）内存调度的方法，解决了多核实时系统中时间可预测性与隔离性的矛盾。
- 通过分层任务模型和静态调度，实现了模块化WCET分析，避免了传统方法中因全局CFG（Control Flow Graph）分析导致的复杂性爆炸。
应用价值
- 适用于汽车、航空航天等高安全场景，支持不同安全等级任务的混合部署。
- 为RISC-V生态的实时系统设计提供了可扩展的参考实现。
研究亮点
- 创新方法：首次将LET的抽象调度优势与PREM的内存局部性结合，兼顾了灵活性与确定性。
- 硬件-软件协同设计：定制RISC-V平台与运行时深度集成，验证了理论模型的可行性。
- 开源工具链：基于Z3和Keystone框架的实现代码将公开，推动领域内复现与改进。
其他价值
- 跨领域启示：提出的隔离机制可扩展至边缘计算、物联网等需要安全关键性与实时性并重的场景。
- 未来方向：论文提到将支持多模式（Multi-Mode）调度，进一步适应动态实时需求。
（全文约2200字）